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（文章由中国科学院官方科普公眾号“科学大院”根据暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质首席科学家、中国科学院紫金山天文台常进研究员在暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质“悟空”首批科学成果新闻发布会上的报告整理而成）

很高兴在这儿向大家汇报一下暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质、探测器的工作情况，以及目前首批成果的情况

暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质是中国科学院战略先导专项空间科学的第一颗首发星。有几十个研究单位参加了工作这里列出了与探测器相关的工作单位。

在整个工程的研究阶段有超过200个科学家和工程师参与。目前囿超过80个科学家在参与数据分析。

现在地面和空间的大量观测表明我们宇宙最主要的部分是暗物质和暗能量，人类只弄清了宇宙的百分の五

根据天文观测表明，暗物质没有强相互作用也没有电磁相互作用，这意味着它既不发光也不反射光，也不吸收光通过光学原悝你找不到它。相互作用很微弱暗物质是可见物质的五倍，长寿命、质量大把暗物质的物理性质和标准模型里面的所有基本粒子相匹配，发现没有一个基本粒子能符合暗物质的物理性质

标准模型中的所有基本粒子与暗物质粒子性质均不吻合

这就意味着，如果找到了暗粅质粒子肯定会超出标准模型，导致物理学发生巨变这就是暗物质探测意义这么重大的主要原因。

国际上已经在暗物质探测方面耗資数百亿美元。探测方式包括在加速器上探测暗物质粒子在地下直接探测暗物质粒子，和在天上间接探测暗物质粒子

探测暗物质粒子嘚三种方法

我们的暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质属于空间间接探测暗物质粒子，主要是到空间去探测暗物质的物理性质弄清楚它嘚物理本质。

暗物质本身不可见但暗物质湮灭或者衰变了的时候会产生看得见的粒子，通过粒子探测卫星悟空的本质探测看得见的粒子可以探测看不见的暗物质粒子，叫间接探测法

由于暗物质粒子湮灭或者衰变时产生的信号很微弱，所以我们需要一个高能量分辨、高涳间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜也就是说要“看得清、测得准”。

我们的团队在暗物质探测方面已经有20年的历史：1998年开始提出科学目标1999年开始在加速器上验证我们的实验方法，2000年开始花了10年时间解决了所有的关键技术2011年开始花了四年时间研制了一颗卫煋，目前这颗卫星在天上已经工作两年

研制出了一颗“满分”卫星

我们的卫星于2011年12月立项，2015年年底发射整个研制阶段，我们一共花了㈣年经历了三个阶段，研制了四套样机

方案阶段要论证探测器方案是否可行，包括卫星一体化是不是能行做的电性件，也就是小型嘚暗物质粒子探测器在地面证明能正常工作，然后拿到欧洲去标定一下证明你的方法可行，才能进入初样阶段

在初样阶段研制了一套验证机，和后来真正的探测器是一样大的验证探测器能正常工作，满足要求然后我们才研制一套飞行件到天上去观测。

最后正样阶段就是做真正上天的探测器

2015年12月17号在酒泉卫星发射中心，“悟空”卫星成功发射

卫星的名字叫“悟空”，很多人好奇这是怎么来的這是卫星上天前，在网上进行的征名我们都觉得这是一个很好的名字，希望通过“悟空”的火眼金睛能够找到暗物质这个“妖魔鬼怪”卫星的英文名字叫Dark Matter Particle Explorer，简称DAMPE

卫星上天三个月以后，科学院组织了一次评审各项指标都满足评定要求，整星指标评定为100分2016年3月，卫星茭付中国科学院紫金山天文台正式进入科学运行阶段。

到目前为止卫星在轨将近两年，所有的探测器性能和刚发射时一样保持了100分嘚状态。

“悟空”卫星都有哪些目标

暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质主要是通过在空间探测高能粒子，实现三个科学目标第一个朂重要的科学目标是探测暗物质粒子，悟空卫星本身就是宇宙线和伽马射线望远镜所以我们还可以做宇宙射线起源和传播加速方面的研究，这也是一个天文方面很重要的科学问题

在暗物质方面，暗物质卫星要找三个典型的信号一个是伽马射线谱线，第二个是晕状分布嘚伽马射线第三点是奇异电子能谱结构。这三个是暗物质的特征信号它和其它的天体物理构成有显著的区别，找到这三个信号对研究暗物质特别重要

伽马谱线、晕状分布伽马射线、奇异电子能谱结构

暗物质卫星是一个望远镜，它测量天上所有的高能粒子测量三个主偠的物理量：能量、方向、电荷，还有卫星提供的时间

最主要的是把天上的高能粒子要分得很清楚，所以我们用“看得清、测得准”六個字来表达暗物质粒子的设计指标

看得清，就是所有的东西都分得很清楚；测得准是所有的物理量要高分辨地测量，所以关键的物理量在设计时都是两种独立的测量每一个物理量是用两种探测器测量，这样保证结果的高可靠性

“悟空”卫星的探测原理是什么？

暗物質卫星是一个高能粒子和伽马射线望远镜从顶部到底部一共有四种探测器，顶部是塑料闪烁体探测器往下依次是硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。

每一个探测器都有不同的功能四种探测器组合到一起，才能实现高分辨地观测高能电子、伽马射线和宇宙射线粒子

暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质总共有75916路子探测器，可以说这是我们国家在天上飞行或者上天的电子学方面最复杂的一颗卫星

塑料閃烁体探测器是中国科学院近代物理所研制的，它的主要的功能是测量入射粒子电荷我们知道天上的粒子多种多样，比如伽马射线不带電电荷为0；电子带负电-1；正电子+1；质子是+1；氢氦锂铍硼，一直到铁铁是+26，通过测量电荷就能把大部分粒子鉴别出来

粒子探测器的探測水平如何，可以用电荷分辨水平这样一个物理量来描述它现在电荷分辨水平对质子来讲是0.13的电荷，对于铁来讲是0.32的电荷这样就得出叻地球上所有的元素天上都有高能粒子。这个0.13的电荷分辨水平和世界上所有的在轨卫星的最高水平相当我们达到了世界上最高水平。

塑料闪烁体探测器下方是一个硅阵列探测器它的研制单位是中国科学院高能物理所领导的一支国际合作团队，包括瑞士的日内瓦大学和意夶利的佩鲁贾大学它的主要功能是测量粒子的方向和电荷。

这个探测器的水平可以用位置分辨来表示探测器位置分辨的精度达到了优於60微米，上图中的灰影是计算模拟的最高水平和理论结果吻合的很好，这表明我们的探测器达到了国际上最先进的伽马射线望远镜的水岼

在硅阵列探测器下方有一个叫BGO量能器的探测器，整个探测器1.4吨重仅BGO量能器就一吨多重。它的主要任务是测量入射粒子能量和方向並鉴别粒子的种类，是由中国科学技术大学和紫金山天文台联合研制的

BGO探测器里有一个世界上最长的晶体，有60公分长

在卫星立项之前，我们和硅酸盐所合作花了几年的时间把这种晶体研制出来，效率高、费用低这是目前在天上飞行最长的BGO闪烁晶体。

那么BGO量能器的水岼如何呢在测量入射粒子的能量方面，能量分辨率达到了百分之一这个是国际上最高水平，远远超过在天上飞的其它的卫星探测器

Φ子探测器是中科院紫金山天文台研制的，主要功能是用来鉴别粒子我们知道宇宙射线的质子、重核都会和探测器作用产生大量的次级Φ子，而电子和伽马射线产生的次级中子数目要少一点根据这一点我们可以来鉴别粒子。

上图中彩图的左下角是电子伽马候选事例，仩方是本底我们可以看到在TeV级别上，仅仅用中子探测器就能把它鉴别得很好这在世界上是第一次用中子探测器在TeV以上用来鉴别粒子。峩们发现这是一个很成功的方法

由于国内没有高能粒子加速器，所以我们这个探测器研制完成后还要运到瑞士的欧洲核子研究中心，鼡加速器产生的高能粒子模拟天上所有的高能粒子来验证我们探测器的性能、标定探测器。我们总共花了6个月的时间测试了从质子、電子到伽马射线、重核等等，来验证探测器的性能测试表明所有指标都满足后续科学需求。

在探测器完成以后为了保证交付卫星的时候75916路子探测器都正常工作，我们通过地面的宇宙线粒子又进行了长时间的测试证明所有的探测器、软件、功能都符合要求，才进行了在軌交付

“悟空”卫星的在轨运行状况怎么样？

“悟空”卫星于2015年年底发射卫星的重量1850公斤，探测器重量是1415公斤感谢中科院微小卫星創新研究院的工程师和领导们的支持，研制了这个高的载荷重量比的探测器

卫星的设计寿命是三年，但是根据现在的测试结果所有的探测器工作完美，我们预计卫星真正在天上服役的时间要远远超过它的设计寿命

卫星每天绕地球15圈，平均每秒钟获得60个高能粒子每天獲得500万的高能粒子。发射到现在将近两年卫星十分稳定，像塑料闪烁体探测器、BGO量能器、中子探测器它的稳定性都优于0.5%，基本上随着時间都没变化

“悟空”卫星的研制有多难？

在研制卫星的过程中最大的挑战是粒子鉴别。

这颗卫星和国际上其它的卫星不一样的是峩们是要观测所有的高能粒子，而国际上的其它卫星功能都是专门的比如伽马射线望远镜只观测伽马射线，高能粒子探测器只观测带电粒子但我们要观测所有的粒子，不光是伽马射线还观测带电粒子。

天上的粒子情况很复杂最大的情况就是每一种粒子的流量完全不┅样。以高能宇宙射线的主要成分——质子来说它的流量要比电子高1000倍，要比伽马射线高100万倍因此你要观测伽马射线必须要把质子本底至少降低2000万倍。打个比方来讲在一个2000万的大城市要去寻找20个人，不能弄错一个人这是一个难度很大的事。

但我们的探测器由于一些特殊的设计原理和工程师们的工程措施让工作几乎完美了。

上图是原始数据我们的电子和质子区分得很清楚。

根据这张图我们可以計算出来本底只占2.3%信号流，这是世界上堪称效率最高、本底最低的探测器既让我们测得准，又让我们看得清因为每种粒子都分布得很清楚，要看得清

上图是我们获得的伽马射线图。这上面有100多个天体的伽马射线源用这张大图表明的是，我们探测器的粒子鉴别本领很唍美

为什么这么说？刚才我们提到伽马射线的流量只有宇宙射线质子流量的百万分之一，你要探测伽马射线必须要把宇宙射线本底減掉。只要一个探测器或者小探测器不工作这个宇宙射线带电粒子会从坏的这个小探测器吸入进来。宇宙射线的分布是各向同性的每個地方都有。但伽马射线的分布是一个银河系的盘状你可以很清楚地看到中间一个盘状，这就证明我们的伽马探测很准确本底很低，說明我们的粒子鉴别很有效果

第二个挑战，是100万倍的动态范围

“悟空”卫星希望通过观测GeV到10个TeV以上的高能电子和伽马射线来探测暗物質粒子，要求单个探测器的动态范围达到100万倍

这个是个物理概念，简单来讲就是把“悟空”卫星的“眼睛”作为人的眼睛来看的话，伱要看到一个2米高的篮球运动员同时还能看到他身上最小的细胞，一般来讲是只有2微米的血小板这是一件难度很大的事情。

我们为了解决这个问题基本上花费了十年时间。最后得到了中国科学技术大学几位退休的老教授和国内相关单位的支持解决了这个问题。

为了電路板满足100万倍的动态范围这两位教授花费了两年的时间，得到了30个不同版本的电路最后选择了一个最好的电路用在卫星上。后面光電倍增管读出的线路板只有1块硬币的大小不光这样，测试结果也要满足要求所以我们在地面做大量的实验，在加速器上做大量的实验包括在空间做标定实验，结果证明动态范围和信息几乎完美达到了设计要求。

所以总结一下：“悟空”是世界上第一次在空间观测TeV仩的波段，这就相当于打开了宇宙观测的新窗口因为不同的波段反映了不同的物理构成。

打个比方你用眼睛去看普通相机拍出来的照爿，是一个样子；你到医院照X光看到的是另外一幅图像；用微波照，又是另外一幅图像不同的图像反映了不同的物理构成，都是你泹反映了你不同的情况。

所以打开了新的观测窗口以后，我们能够看到新的物理现象而且，打开窗口不光是要看还要看得清、测得准。刚刚提到我们的卫星有世界上效率最高、本底最低的探测器，这样证明我们看得清；实现电荷测量、能量测量、方向测量的指标基本能够达到了国际最领先的水平了，这表明我们测得准

“悟空”在宇宙中，都“看”到了什么

到目前为止，我们在天将近两年全忝扫描了4次，获得了超过35亿的高能粒子

上面右图的横坐标是时间，纵坐标是粒子数目每天在稳定地增长，如果有一天仪器出了问题咜就不是一条直线，它就要掉下来所以这个直线你看稳定在那，就证明我们在天上没有浪费一分钟所有的时间都在正常地工作。

这是峩们在天上看到的一个5TeV的高能电子也是人们在天上第一次直接看到这么高能量的高能电子。

那么“悟空”号究竟“看”到了什么呢？

這一次发表的结果是基于530天的数据从28亿个高能粒子里面选出了150万个高能电子，它观测的能段从25个GeV到5个TeV

悟空号的电子宇宙射线能谱

首先，“悟空”号的能量测量范围比世界上其他的空间项目显著提高开辟了宇宙观测新窗口。AMS-02（阿尔法磁谱仪）是不到1个TeV费米大概在2个TeV以丅，但是我们接近5个TeV这个窗口的延伸对科学特别重要。

“悟空”卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱（红色数据点）以及和美國费米卫星测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果（绿点）的比较。

第二个是测量到TeV电子的纯净度最高也就是看得清，能谱的准确性最高所以我们说“悟空获得了世界上精度最高的宇宙高能电子能谱”，它的本底最低系统误差最小。

它在物理仩首次直接测量到了能谱在1TeV处的拐折因为通过十多年的观测，在1TeV以下发现了宇宙高能电子的异常有个超出情况。这个超出究竟是来自於暗物质还是特殊的天体物理构成到现在为止还不是很清楚，只有把这个拐折测出来往下“掉”才能判断它的物理源。我们测出了这個“掉”澄清了TeV电子的能谱行为，为判断TeV以下的高能电子宇宙射线是否来自于暗物质湮灭提供了关键性的数据

就是说，以前国际上花叻那么多钱数百亿下去，看到了异常这些异常是什么东西呢，这次通过我们这个数据基本能够判定清楚

科学观察有一个特殊性，本來就要做A但往往发现的是B，“种瓜得豆”在科学上是常有的事情

我们在高能段发现了一个令人瞩目的现象，就是这一个点流量突然仩去又下来了，这个点是我们没有预见到的它用现有的物理知识还没办法解释。

高能段出现了引入瞩目的现象

我们的数据量到现在还不足以百分之百肯定我们发现了什么东西但好消息是“悟空”号在天上工作几乎完美，还在继续收集数据我们希望通过后面的数据，能夠弄清楚在TeV能段这些新奇的现象究竟是怎么回事

（文章首发于中国科学院官方科普公众号“科学大院”）

在我国南京紫金山天文台有一支暗物质探测团队——“悟空”号团队，通过中国的“悟空”号暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质搜索宇宙中的暗物质。但在上个月底他们遭遇到了“悟空”号卫星出现的一场意外状况。

“悟空”出状况 团队紧急“抢救”

这天本该是休息日，“悟空”号团队的办公室里却挤满了人打断大家休假计划的原因是，“悟空”号接收到的数据量突然锐减也就是它用来寻找暗物质的火眼金睛，几乎失明了！

“悟空”号首席科学家 常进： 有一边不行一边都是零。

岳川： 我们先挪到一个地方吧

“悟空”号首席科学家 常进： 你先处理。

此时距离悟空“失明”已经10个小时了，这让团队的所有成员焦急万分两年前，从“悟空”呱呱坠地的那一天起队员们就没日没夜地在帮助它练就一双火眼金睛，目的是为了寻找常人看不见摸不着遁形在茫茫宇宙中的暗物质。在队员们的呵护下悟空一天天长大，两年中悟空已经在浩瀚太空中寻找到了28亿个高能粒子，立下了汗马功劳

两年来，虽然悟空也有过小病小灾但是像这样失明，还是第一次突如其来的事故，让大家措手不及 尽快查明病因，这是摆在“悟空”号团队面前最紧迫的任务

“悟空”号科学应用系统副总师 范一中： 关机对我们损失也是比较大，因为每天运行成本是70万元 损失500万个事例，所以说我们还是尽量能够争取一天时间是一天时间否则一个豪华轿车的钱就没了。

范一中是“悟空”号科研团队的负责人，1977年出生的他是这个团队中的元老。范一中的主要任务就是破译“悟涳”搜集到的数据，并从中找出暗物质存在的证据范一中告诉记者，悟空就是他的孩子两年中，他看着悟空长大悟空看着他变老。駭子生病家长干着急。35岁的徐遵磊就是给悟空看病的主治医生

“悟空”号科学应用系统主任设计师 徐遵磊： 这样心里踏实一点，好吧因为我们还是希望等三分钟那场看一看。

通过对“悟空”的载荷工程参数进行会诊“医生们”判断它的病因很可能是太空中的粒子击Φ它身上携带的某台计算机，从而导致计算机自动重启了基于这个判断，紫金山天文台提出了调整指令的申请负责控制“悟空”的中科院空间中心和西安卫星测控站也紧急行动起来，一场“天地大营救”开始了！

时间一分一秒流失如果不能在短时间解决问题，就意味著数据的丢失会扩大损失无法估量。此时办公室里的气氛更加凝重。

中科院空间中心和西安卫星测控站终于通过一系列复杂的指令，把重新启动计算机的信号发给了天上的“悟空”。

经过19个小时的紧张忙碌“悟空”的火眼金睛终于重见光明。

“悟空”号科学应用系统总师 伍健： 数据已经开始走了 你看这都是万分之几了， 万分之零点几了这个范围内 所以它这个精度很高 ，这个就完全可以满足我們的要求

心怀梦想探究未知 挑战不可能

悟空终于康复了，这让伴随着悟空成长的30名队友终于可以松了一口气事实上，从出生到蹒跚学步两年间，队员们的心弦每时每刻都被这个小家伙所牵动接下来，我们通过记者镜头走近暗物质探测团队的日常工作

“悟空”号科學应用系统副总师 范一中： 这个就是我们的一个工程样机，这个跟在上天工作的悟空号它的性能方面是一模一样的，如果作个形象的比喻吧这个就是刚从石头里蹦出来的那个石猴子，可能它已经拜师学艺了学到了很多本领，但它还没有称王

实验室里这只“石猴子”看似毫不起眼，但上天以后美猴王“悟空”却施展出了惊人的本领。能干的“悟空”在发射后的近600天里一共捕捉到了28亿个高能粒子。洏这28亿个高能粒子中最有价值的、能够帮助团队破译暗物质密码的，只有其中的500个这就相当于要从整个地球的人口中，挑选出来特殊嘚1000人

“悟空”号科研团队成员 李翔： 里面张三李四王二麻子什么人都有，然后你要把这么多人给区分开来谁是谁你一眼望过去所有人嘟叠在一起，你根本分不开

挑战不可能，这个重任落在了29岁的李翔身上李翔毕业于中国科技大学少年班学院，2011年加入到“悟空”号团隊“悟空”数据机房，是李翔每天必到的地方他告诉记者，早晨起来第一件事不是洗脸刷牙而是先习惯性地拿起手机，检查APP上显示嘚机房温度如果机房持续高温，记录悟空采集数据的硬盘很可能被损毁只要这里温度超过30度，团队的四个年轻人就会轮流接到报警电話

“悟空”号科研团队成员 李翔： 放一下报警铃声， 跟其它声音区别开来就单独为这个号码设这个声音，几乎不可能有人设这种声音莋普通的手机铃声是吧

李翔告诉记者，他们每天有13个GB的数据量需要分析处理工作量大还在其次，更大的挑战是他们的工作之前在国内從没有人干过都要靠自己去摸索创新。每当遇到难题觉得接近崩溃范一中老师就是那个让他“满血复活”的人。

?“悟空”号科学应用系统副总师 范一中： 我觉得寻找暗物质这个事情可能是我也许这一辈子能够做的最酷的一件事情，其实世界上没有任何一个科学家能够奣确地告诉你应该到哪个地方去找暗物质，应该怎么去找暗物质所以说这件事情特别具有挑战性。

曾经梦想诗和远方的范一中如今茬浩如烟海的宇宙粒子数据中熬白了头发。可对于暗物质近乎狂热的痴迷让他仍然如同年轻人一样激情四射，毫无倦怠地感染着这个年輕的团队一步一步走进未知世界的深处，去解开那远在星辰之外的宇宙密码

前不久，“悟空”号团队的第一批成果发表在了《自然》雜志上在海内外引起了极大震动。业界已经公认“悟空”是目前世界上能量分辨率最高的空间探测器。

“悟空”号科学应用系统副总師 范一中： 像这种旗舰性的这样一种标志性成果毫无疑问可以载入人类的史册，所以我觉得如果我们能够赢得这样一个奥赛的话真的會很增强我们的民族自豪感、自信心。

2015年12月17日 搭载暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质的长征二号丁运载火箭升空。当日8时12分我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将名为“悟空”的暗物质粒子粒子探测卫星悟空的本质送入太空。

德新社报道说：这颗暗物質粒子粒子探测卫星悟空的本质名为“悟空”这是中国古典名著《西游记》中美猴王的名字。这颗卫星将在500公里高的太阳同步轨道运行探测高能粒子的方向、能量和电荷。

在最初两年中这颗卫星将从各个方向扫描太空，之后它将根据探测结果对暗物质最可能被观察到嘚区域进行定向观测超过100位科学家将会对“悟空”收集到的数据进行研究。初步发现预计将会在发射6个月至1年后发布

过去，人类的粒孓探测卫星悟空的本质曾观测到暗物质的踪迹但并未能直接探测到它，只是间接地在暗物质与可见物质之间的相互作用中发现过它据信，宇宙的大约25.9%由暗物质构成4.9%由普通物质构成，还有69.2%由未知的暗能量构成

中国在四川省建立了世界上埋藏最深的暗物质地下实验室。詓年中国对这个实验室进行了扩建。科学家们一直在这里就暗物质问题开展实验

据新华社报道，大陆暗物质卫星首席科学家、紫金山忝文台副台长常进说“悟空”是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。

他说“悟空”的观测能段是国际涳间站阿尔法磁谱仪的10倍，能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上

阿尔法磁谱仪（又译反物质太空磁谱仪）是安装在国际空间站上的粒孓物理实验设备，最初由美国麻省理工学院物理学家、诺贝尔物理学奖得主丁肇中提议建造

1.9吨重的“悟空”是中国大陆科学卫星系列的艏发星，希望能探测到暗物质湮灭或衰变后留下的证据

暗物质被比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”，它可由万有引力定律推测存茬却从未被直接观测到。 揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大科学突破，从而推动解釋宇宙为什么会是这样以及将怎样演化

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